Silnik Stirlinga – historia, zasada działania i zastosowania.

Alpha_Stirling

Silnik Stirlinga jest przez wielu uważany za silnik przyszłości, dzięki możliwości zasilania dowolnym źródłem ciepła. Dziś kojarzy się głównie z małymi pokazowymi modelami wykonanymi przez pasjonatów. Jak działa silnik Stirlinga, jakie miał zastosowania i jaka czeka go przyszłość? Odpowiedzi na te pytania w krótkim opracowaniu wykonanym przez członków naszego projektu…

Historia silnika Stirlinga

Początek wieku XIX był okresem rozwoju silników parowych. Jako alternatywę dla silników parowych uważano wówczas tzw. silniki na gorące powietrze. W 1816 roku Rober Stirling opatentował silnik na gorące powietrze później nazwany silnikiem Stirlinga. Początkowo silnik Stirlinga pracował z wykorzystaniem powietrza jako czynnika roboczego stąd nazwa silnik na gorące powietrze. Oprócz powietrza możliwe jest użycie innych gazów, które pozwalają na osiąganie lepszych osiągów.

Wynalazek Roberta Stirlinga był wielokrotnie udoskonalany przez wynalazcę i jego brata Jamesa. Mimo zaangażowania silnik Stirlinga nie osiągnął przewidywanego sukcesu. Głównym powodem były problemy z materiałem, z którego wykonany był silnik. Za życia konstruktora jedynym dostępnym materiałem było żeliwo. Żeliwo zapewniało odpowiednią wytrzymałość konstrukcji jednak z uwagi na duży opór cieplny znacząco ograniczało możliwości wykorzystania urządzenia. Sam Stirling w 1876 opisał problem tak:

“Gdyby stal Bassemera była znana trzydzieści lub czterdzieści lat wcześniej, nie ma cienia wątpliwości, że silnik na gorące powietrze byłby ogromnym sukcesem. Aktualnie przedstawia on potencjalną możliwość rozwoju w rękach ambitnych i wykształconych mechaników, którzy w sprzyjających okolicznościach mogą osiągnąć zamierzony cel w przyszłości.”

W latach ‘30 XX wieku firma Philips zainteresowała się możliwością wykorzystania silnika Stirlinga jako cichego i niezawodnego źródła do zasilania radioodbiorników, jednak szybki rozwój baterii spowodował, że rozwój silnika Stirlinga został ponownie wstrzymany.

Zasada działania

Silnik Stirlinga realizuje obieg cieplny bazując na górnym źródle ciepła o wysokiej temperaturze który poprzez wymiennik ciepła (podgrzewaną ściankę cylindra) ogrzewa sprężony gaz o wysokim współczynniku przewodzenia ciepła znajdujący się w środku powodując jego ekspansję i ruch tłoka pracującego (zimnego). Następnie zależnie od budowy ogrzany gaz może być kierowany do strefy chłodzenia lub za pomocą drugiego tłoka (gorącego) którego miesza gaz ciepły z zimnym jeśli silnik jest jednocylindrowy. W przypadku silników z wieloma cylindrami drugi tłok zasysa gaz do drugiego cylindra chłodzącego, gdzie gaz ulega schłodzeniu i ponownemu wtłoczeniu do strefy podgrzewu.

Głównymi zaletami silnika jest możliwość wykorzystania dowolnego źródła ciepła począwszy od otwartego płomienia do źródeł termalnych lub magazynów ciepła takich jak stawy słoneczne, które posiadając wysoki gradient zasolenia mogą utrzymywać temperaturę na dnie rzędu 90÷100˚C. Kolejną zaletą jest cicha praca układu w porównaniu z silnikami spalinowymi, oraz z racji charakteru ciągłej pracy możliwe lepsze zarządzanie procesami spalania co przekłada się na mniejszą emisję gazów.

613px-Stirling_Cycle_color

1 – Przemiana izotermiczna, gaz ulega podgrzaniu i zwiększając ciśnienie rozszerza się ruszając tłok.

2 -  Przemiana izochoryczna, gaz zaczyna się ochładzać przekazując ciepło do regeneratora między tłokiem podgrzewanym a strefą chłodzenia.

3 – Przemiana izotermiczna, gaz znajduje się w strefie chłodzenia oddając ciepło do otoczenia zmniejsza ciśnienie powodując powrót tłoka do stanu początkowego.

4 – Przemiana izochoryczna, gaz powracając pobiera ciepło z regeneratora i przechodzi do strefy podgrzewania.

Budowa silnika Stirlinga

Najważniejszymi elementami budowy silnika Stirlinga są:

- nagrzewnica

- regenerator

- chlodnica

Nagrzewnica jest wymiennikiem ciepła w którym gaz zwiększa temperaturę pobierając ciepło z zewnętrznego źródła. Regenerator jest częścią silnika w której przepływający gaz oddaje lub pobiera ciepło od wkładu (metalowe kulki, opiłki, siatka). Dzięki temu przyspieszony jest proces ogrzewania/chłodzenia gazu w cylindrach. Regenerator jest prawdopodobnie najistotniejszą częścią w silniku Stirlinga, która odróżnia go od teoretycznego silnika cieplnego z dwoma wymiennikami ciepła. Dzięki regeneracji możliwe jest działanie tego silnika. Chłodnica jest wymiennikiem ciepła w którym gaz oddaje ciepło do otoczenia lub czynnika chłodzącego.

Możliwe są trzy rodzaje budowy tłokowego silnika Stirlinga:Alpha_Stirling

  • alfa – posiada dwa cylindry na których znajdują się wymienniki ciepła. Pomiędzy cylindrami znajduje się regenerator.

 

 

Stirling_Animation

  • beta – zbudowany jest z jednego cylindra w którym pracują dwa współosiowe cylindry

 

 

 

 

  • gamma – Ma on jeden cylinder Animgammapodobnie jak typ beta, lecz w typie gamma nie pokrywa się oś wzdłuż której przesuwają się tłoki.

 

Zastosowania Silnika Stirlinga

Silniki Stirlinga mają liczne zastosowania. Ich główną zaletą jest uniwersalność. Do ich napędu można użyć dowolnego źródła ciepła –  np. odpadowego, ze słońca itd. Do tego dochodzi jeszcze wysoka sprawność, niski poziom hałasu, brak emisji spalin. Mają one niestety też kilka wad: kłopoty konstrukcyjne, stosunek masa/moc, wysoki koszt.

Ciekawsze zastosowania:

1.Silnik Stirlinga na ciepło odpadowe z elektrowni napędzający generator

Zalety: Zwiększenie sprawności elektrowni cieplnych

Problemy: Połączenie materiałów o dużej i małej przewodności cieplnej; ochrona materiałów przed długotrwałą różnicą temperatur; zjawisko korozji; sprawność rośnie wraz ze wzrostem powierzchni wymiany ciepła lub zmianą czynnika na np. wodór, hel – a to wszystko koszty i dodatkowe problemy

Status: W planach. Na razie inwestycja w silniki Stirlinga spłacałaby się zbyt długo

2.Napęd główny lub hybrydowy do samochodu

Zalety:Wysoka sprawność

Problemy:mniej opłacalny niż tradycyjne silniki spalinowe

Status: na razie jedynie w planach

3.Zastosowanie w okrętach podwodnych

Zalety: kosztują mniej niż okręty atomowe; okręt podwodny może dłużej przebywać pod powierzchnią; wykorzystuje ciepło odpadowe; niski poziom hałasu

Problemy: brak

Status:  użyty np. w  okręcie podwodnym Gotland

4.Stacjonarne i przenośne generatory energii elektrycznej

5.Systemy przetwarzania energii słonecznej

Problemy:  Droga technologia; opłaca się budować jedynie w silnie nasłonecznionym obszarze

Status: Zwierciadło słoneczne z silnikiem cieplnym (silnikiem Stirlinga) opracowane przez Stirling Energy Systems, Inc. oraz Sandia National Laboratories (USA) o mocy 25 kW

6.Sztuczna pompa serca

7.Chłodzenie, klimatyzacja

Silnik Stirlinga można napędzać wentylator chłodzący PC (technologia MSI). Duża sprawność – 70%

8.Pompy wodne
9.Napęd wspomagający dla satelitów

 

Źródła:

http://www.plan-rozwoju.pcz.pl/dokumenty/konferencja/artykuly/30.pdf

http://www.stirling.fc.pl

http://www.kmciso.ps.pl/stirling/index_stirling_zastosowania.html

http://postcarbon.pl/2008/02/elektrownie-sloneczne/

Animacje i grafika: http://pl.wikipedia.org/wiki/Silnik_Stirlinga

One thought on “Silnik Stirlinga – historia, zasada działania i zastosowania.

  1. Pingback: Discount True Religion

Leave a Reply